Energia nucleare: L`energia nucleare è una fonte di

Energia nucleare:
L'energia nucleare è una fonte di energia derivata dalla forza nucleare che tiene insieme
il nucleo di un atomo. L'energia nucleare è una fonte di energia basata sulla esplorazione
dell'infinitamente piccolo. La rottura del nucleo degli atomi, attraverso il processo di
fissione, rilascia una elevata quantità di energia. Lo sfruttamento dell'energia nucleare
consiste in una fissione controllata in grado di sfruttare l'energia termica rilasciata dalla
separazione degli atomi per produrre energia elettrica. Lo stesso accade nel processo di
fusione di due atomi. Con il termine energia nucleare si intende il legame che tiene uniti i
neutroni ed i protoni del nucleo di un atomo. L'energia di legame del singolo nucleone nel
nucleo è minore per i nuclei molto leggeri o molto pesanti. E' invece maggiore nei nuclei a
massa intermedia. Esistono due modi per liberare la forza nucleare:
o
Fissione nucleare. Consiste nella rottura dei nuclei pesanti di due atomi. Nella
fissione nucleare un atomo con nucleo pesante (es. uranio, plutonio, ecc.) viene
spezzato in due parti, rilasciando un residuo di energia. L'attuale produzione di energia
nucleare nel mondo si basa esclusivamente se centrali nucleari a fissione.
o
Fusione nucleare. Consiste nell'aggregazione di due nuclei leggeri. Nella fusione
nucleare due atomi con nuclei leggeri sono fusi insieme, liberando una grande quantità
di energia sotto forma di energia termica e di energia cinetica. I reattori a fusione
nucleare sono attualmente in fase di sperimentazione e di ricerca.
Le forze nucleari sono tra le più intense in natura. La tecnologia in grado di sprigionarle
consente la produzione di energia elettrica da una piccola massa di materiale reagente.
L'energia nucleare viene liberata all'interno di un reattore nucleare generando il calore
necessario per creare forza vapore ed alimentare una turbina elettrica. L'energia nucleare
è una delle poche fonti energetiche non derivanti dall'energia solare. Inoltre, l'energia
nucleare è l'unica fonte energetica in cui l'elemento fondamentale è soprattutto la
tecnologia e non la materia prima. Come per le altre fonti di energia fossili (petrolio, gas,
carbone) anche l'energia nucleare deriva da una materia prima, ad esempio l'uranio per la
fissione nucleare. La quantità necessaria per produrre energia è radicalmente inferiore
rispetto alle fonti tradizionali. In compenso, è molto più complessa e costosa la tecnologia
necessaria per sfruttare l'energia dell'atomo. Oltre alla costruzione delle centrali atomiche
è infatti necessario preparare il combustibile per farle funzionare. Gli investimenti
necessari per costruire e gestire una centrale atomica sono molto più alti rispetto ad una
centrale termoelettrica.
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L'energia nucleare non produce gas serra. La produzione di energia elettrica tramite il
nucleare non si basa sulla combustione delle materie prime fossili, pertanto non genera
l'emissione di gas serra e di CO2.
Scorie radioattive. Uno dei principali handicap della tecnologia è la produzione di
radioattività di medio e lungo periodo. I materiali a diretto contatto con la radioattività
sono detti scorie nucleari
L'atomo (dal greco ἄτομος - àtomos -, indivisibile, unione di ἄ - a - [alfa privativo] + τόμος tómos - [pezzo, fragmento]) è una struttura nella quale è normalmente organizzata la
materia. Più atomi formano le molecole, mentre gli atomi sono a loro volta formati da
protoni, neutroni ed elettroni. Era così chiamato perché inizialmente considerato l'unità più
piccola ed indivisibile della materia (concetto risalente alla dottrina dei filosofi greci
Leucippo, Democrito ed Epicuro, detta teoria dell'"atomismo").Verso la fine dell'Ottocento
(con la scoperta dell'elettrone) fu dimostrato che l'atomo era divisibile, essendo a sua volta
composto da particelle più piccole (alle quali ci si riferisce con il termine "subatomiche").
La teoria atomica è la teoria secondo la quale tutta la materia è costituita da unità
elementari chiamati atomi. La teoria atomica si applica agli stati della materia solido,
liquido e gassoso, mentre è difficilmente correlabile allo stato plasmico, in cui elevati valori
di pressione e temperatura impediscono la formazione di atomi.
Storia
Il modello atomico oggi riconosciuto è l'ultima tappa di una serie di ipotesi che sono state
avanzate nel tempo.
I diversi ordini di grandezza della materia:
1. Materia (macroscopico)
2.Struttura molecolare (atomi)
3.Atomo (neutrone, protone, elettrone)
4.Elettrone
5.Quark
6.Stringhe
In età antica alcuni filosofi greci, quali Leucippo (V secolo a.C.), Democrito (V-IV secolo
a.C.) ed Epicuro (IV-III secolo a.C.), e romani, quali Tito Lucrezio Caro (I secolo a.C.),
ipotizzarono che la materia non fosse continua, ma costituita da particelle minuscole e
indivisibili, fondando così la "teoria atomica". Questa corrente filosofica, fondata da
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Leucippo, venne chiamata "atomismo"[3]. Si supponeva che i diversi "atomi" fossero
differenti per forma e dimensioni.
Democrito propose la "teoria atomica", secondo cui la materia è costituita da minuscole
particelle, diverse tra loro, chiamate atomi, la cui unione dà origine a tutte le sostanze
conosciute. Queste particelle erano la più piccola entità esistente e non potevano essere
ulteriormente divise: per questo erano chiamate atomi (da ὰτωμος, in greco "indivisibile").
In contrasto con questa teoria, Aristotele (IV secolo a.C.), nella ella materia, sostenne che
una sostanza può essere suddivisa all'infinito in particelle sempre più piccole e uguali tra
loro.
Queste ipotesi rimasero tali in quanto non suffragate da un approccio scientifico e non
verificate con metodologie basate sull'osservazione e sull'esperimento.
Il corpuscolarismo è il postulato del XIII secolo dell'alchimista Geber, secondo il quale tutti
i corpi fisici posseggono uno strato interno e uno esterno di particelle minuscole. La
differenza con l'atomismo è che i corpuscoli possono essere divisi. Veniva per questo
teorizzato che il mercurio potesse penetrare nei metalli modificandone la struttura interna.
Il corpuscolarismo rimase la teoria dominante per i secoli successivi. Tale teoria servì
come base a Isaac Newton per sviluppare la teoria corpuscolare della luce.
Tra gli atomisti dell'età moderna ci fu Pierre Gassendi, per via del suo recupero
dell'epicureismo.
Origine del modello scientifico
Vari atomi e molecole rappresentati nella prima pagina di "A New System of Chemical
Philosophy", di John Dalton, pubblicato nel 1808.
Solo all'inizio del XIX secolo John Dalton rielaborò e ripropose la teoria di Democrito
fondando la teoria atomica moderna, con la quale diede una spiegazione ai fenomeni
chimici, affermando che le sostanze sono formate dai loro componenti secondo rapporti
ben precisi fra numeri interi (legge delle proporzioni multiple), ipotizzando quindi che la
materia fosse costituita da atomi. Nel corso dei suoi studi, Dalton si avvalse delle
conoscenze chimiche che possedeva (la legge della conservazione della massa, formulata
da Antoine Lavoisier, e la legge delle proporzioni definite, formulata da Joseph Louis
Proust) e formulò la sua teoria atomica, che espose nel libro A New System of Chemical
Philosophy (pubblicato nel 1808). La teoria atomica di Dalton si fondava su cinque punti:
la materia è formata da piccolissime particelle elementari chiamate atomi, che sono
indivisibili e indistruttibili;
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gli atomi di uno stesso elemento sono tutti uguali tra loro;
gli atomi di elementi diversi si combinano tra loro (attraverso reazioni chimiche) in rapporti
di numeri interi e generalmente piccoli, dando così origine a composti;
gli atomi non possono essere né creati né distrutti;
gli atomi di un elemento non possono essere convertiti in atomi di altri elementi.[4]
In definitiva questa è la definizione di atomo per Dalton: "Un atomo è la più piccola parte di
un elemento che mantiene le caratteristiche chimiche di quell'elemento".
Questa viene considerata la prima teoria atomica della materia perché per primo Dalton
ricavò le sue ipotesi per via empirica.
I modelli atomici
L'esperimento di Rutherford: poche particelle alfa vengono deflesse dal campo elettrico
del nucleo, la maggior parte di esse attraversa lo spazio vuoto dell'atomo.
Con la scoperta della radioattività naturale, si intuì successivamente che gli atomi non
erano particelle indivisibili, bensì erano oggetti composti da parti più piccole. Nel 1902,
Joseph John Thomson propose il primo modello fisico dell'atomo[5]: aveva infatti provato
un anno prima l'esistenza dell'elettrone. Egli immaginò che un atomo fosse costituito da
una sfera fluida di materia caricata positivamente (protoni e neutroni non erano stati
ancora scoperti) in cui gli elettroni (negativi) erano immersi (modello a panettone, in
inglese plum pudding model o modello ad atomo pieno), rendendo neutro l'atomo nel suo
complesso.
Questo modello fu superato quando furono scoperte da Ernest Rutherford le particelle che
formano il nucleo dell'atomo: i protoni. Nel 1911 Rutherford fece un esperimento cruciale,
con lo scopo di convalidare il modello di Thomson. Egli bombardò un sottilissimo foglio di
oro, posto fra una sorgente di particelle alfa e uno schermo. Le particelle, attraversando la
lamina, lasciarono una traccia del loro passaggio sullo schermo. L'esperimento portò alla
constatazione che i raggi alfa non venivano quasi mai deviati; solo l'1% dei raggi incidenti
era deviato considerevolmente dal foglio di oro (alcuni venivano completamente respinti).
Attraverso questo esperimento, Rutherford propose un modello di atomo in cui quasi tutta
la massa dell'atomo fosse concentrata in una porzione molto piccola, il nucleo (caricato
positivamente) e gli elettroni gli ruotassero attorno così come i pianeti ruotano attorno al
Sole (modello planetario).[6] L'atomo era comunque largamente composto da spazio
vuoto, e questo spiegava il perché del passaggio della maggior parte delle particelle alfa
attraverso la lamina. Il nucleo è così concentrato che gli elettroni gli ruotano attorno a
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distanze relativamente enormi, aventi un diametro da 10.000 a 100.000 volte maggiore di
quello del nucleo. Rutherford intuì che i protoni da soli non bastavano a giustificare tutta la
massa del nucleo e formulò l'ipotesi dell'esistenza di altre particelle, che contribuissero a
formare l'intera massa del nucleo. Nel modello atomico di Rutherford non compaiono i
neutroni, perché queste particelle furono successivamente scoperte da Chadwick nel
1932.
Il modello di Rutherford aveva incontrato una palese contraddizione con le leggi della
fisica classica: secondo la teoria elettromagnetica, una carica che subisce una
accelerazione emette energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Per questo
motivo, gli elettroni dell'atomo di Rutherford, che si muovono di moto circolare intorno al
nucleo, avrebbero dovuto emettere onde elettromagnetiche e quindi, perdendo energia,
annichilire nel nucleo stesso (teoria del collasso), cosa che evidentemente non accade.[7]
Inoltre un elettrone, nel perdere energia, potrebbe emettere onde elettromagnetiche di
qualsiasi lunghezza d'onda, operazione preclusa nella teoria e nella pratica dagli studi sul
corpo nero di Max Planck (e successivamente di Albert Einstein). Solo la presenza di livelli
di energia quantizzati per quanto riguarda gli stati degli elettroni poteva spiegare i risultati
sperimentali: la stabilità degli atomi rientra nelle proprietà spiegabili mediante la
meccanica quantistica, crescenti col numero atomico degli elementi secondo incrementi
dei tempi di stabilità via via decrescenti (regola dell'ottetto e regola dei 18 elettroni)
Altre fonti di energia:
L’energia può presentarsi in molte forme diverse.
ENERGIA MECCANICA
Tra le diverse forme abbiamo l'energia meccanica, che può essere cinetica o potenziale.
L'energia cinetica è l'energia legata al movimento degli oggetti. L'energia potenziale
dipende dall'altezza che un oggetto ha rispetto al suolo. Se l'oggetto viene lasciato libero e
comincia a cadere l'energia potenziale si trasforma in energia cinetica.
ENERGIA TERMICA
L’energia termica, o calore, fa aumentare la temperatura della materia. E' l'energia che fa
vibrare gli atomi e le molecole della materia.
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ENERGIA ELETTRICA
L’energia elettrica, permette lo scorrimento di cariche in un circuito elettrico. In natura si
presenta ad esempio sotto forma di scariche elettriche dei fulmini. E' la forma di energia
maggiormente utilizzata dall'uomo, grazie alla sua facile trasportabilità, e viene prodotta
secondariamente a partire da altre fonti di energia.
ENERGIA CHIMICA
L’energia chimica è contenuta nei combustibili.
Gli atomi sono legati fra loro mediante legami chimici: le reazioni chimiche sono delle
trasformazioni che comportano la rottura di alcuni legami e la formazione nuovi; in questo
modo si ha un cambiamento nella composizione della materia, e in alcuni casi la
produzione di calore, che può essere utilizzato in diversi modi.
ENERGIA RADIANTE
Il sole ci da la sua energia radiante, che forma lo spettro elettromagnetico: luce, calore e
raggi ultravioletti.
ENERGIA DI MASSA
L'energia di massa, ha origine dall'equivalenza tra massa ed energia, stabilita da Albert
Einstein nel 1905.
E' la forma di energia sfruttata nelle centrali nucleari per fornire calore e luce per le nostre
case.
I fisici definiscono l'energia come la capacità di compiere un lavoro, che un corpo, una
mcchina o un sistema possiede, grazie a certe caratteristiche che acquista o cede. Il
lavoro, a sua volta, può essere definito l'applicazione di energia al fine di ottenere un
determinato risultato.
La quantità di lavoro L compiuto da una forza costante F, che sposta un oggetto di un
tratto s lungo la direzione di azione della forza stessa è data dalla formula:
L=Fxs
Come si misura l'energia?
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Secondo il Sistema Internazionale di Unità, l'energia si misura in joule.
Il joule rappresenta all'incirca l'energia necessaria per sollevare di un metro un corpo
avente un peso pari ad un ettogrammo.
Essondo il joule un'unità molto piccola vengono generalmente utilizzati i suoi multlipli il
Kilojoule (1KJ=1000 joule) e il Megajoule (MJ= 1.000.000 joule)
Un'altra grandezza importante è la potenza.
La potenza viene definita come la quantità di lavoro compiuta nell'unità di tempo:
P=L/t
Pertanto la potenza indica la velocità alla quale un lavoro viene compiuto, oppure l'energia
che viene sviluppata o consumata
L'unità di misura della potenza è il watt (simbolo W) che è il lavoro di 1joule compiuto in un
secondo (W=j/s)
Quando si parla di energia elettrica, l'unità di misura utilizzata è il kilowattora (simbolo
(kWh).
Un kilowattora equivale a 3.600.000 joule.
Se l'energia viene misurata in kWh, la potenza viene misurata in kilowatt o watt
Per ottenere l'energia erogata bisogna moltiplicare la potenza di un'apparecchiatura per
il tempo di funzionamento.
Se un televisore assorbe una potenza di 300 W in tre ore di funzionamento assorbirà
900 Wh = 0,9 Kwh.
Altre unità di misura comunemente usate per l'energia sono le Kilocalorie e il tep.
La Kilocaloria, che si utilizza normalmente per misurare l'energia termica, rappresenta la
quantità di calore necessario per aumentare di un grado la temperatura di un chilogrammo
(un litro) di acqua.
Una kilocaloria è pari a 4196 joule.
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Il tep, o tonnellata equivalente di petrolio, è l'unità energetica comunemente usata a livello
internazionale per i bilanci dell'energia.
Il tep rappresenta praticamente il calore sviluppato bruciando una tonnellata di petrolio.
Equivale a circa 42 miliardi di joule.
Multiplo del tep è il megatep, pari a un milione di tep impiegato per misurare, ad esempio il
consumo annuo di energia in un paese.
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